Các thiên hà cổ có thể nặng hơn nhiều so với ước tính trước đây

Nhìn vào những ngôi sao gần như vô hình

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học tại Đại học Leiden dẫn đầu đã sử dụng quang phổ siêu sâu từ Kính thiên văn Không gian James Webb (JWST) để tìm dấu vết của những sao lùn khối lượng thấp — các ngôi sao rất mờ nhưng có thể chiếm phần lớn khối lượng sao trong một thiên hà. Thay vì mặc định các thiên hà có cùng phân bố khối lượng sao khi sinh ra như Ngân Hà, nhóm đã đo trực tiếp hàm khối lượng ban đầu (initial mass function, IMF).

Kết quả cho thấy cả chín thiên hà khối lượng lớn, đã gần như ngừng hình thành sao ở độ dịch đỏ khoảng 0,7, đều có lượng sao khối lượng thấp dồi dào bất thường. Nói cách khác, IMF của chúng “nặng đáy” hơn IMF kiểu Ngân Hà.

Phương pháp: ghép hai vùng quang phổ

Nhóm nghiên cứu kết hợp:

• Quang phổ cận hồng ngoại siêu sâu từ thiết bị NIRSpec trên JWST, thu được trong chương trình JWST-IMFERNO.
• Quang phổ quang học sâu, có bước sóng xanh hơn, từ chương trình LEGA-C trên Kính thiên văn Rất lớn (VLT) đặt tại mặt đất.

Việc mở rộng vùng bước sóng giúp các nhà khoa học tách những vạch hấp thụ nhạy với sao lùn trong vùng cận hồng ngoại của hệ quy chiếu nghỉ khỏi các tín hiệu dùng để xác định tuổi, độ kim loại và thành phần nguyên tố của quần thể sao trong vùng quang học.

Chín thiên hà trong mẫu đều đã ngừng tạo sao từ thời điểm độ dịch đỏ khoảng 0,7. Vì vậy, chúng lưu giữ thông tin về một quần thể sao đã tích lũy trong quá khứ, cho phép nhóm nghiên cứu khảo sát lịch sử hình thành của chúng với độ chính xác đặc biệt cao.

“Khối lượng ẩn” làm các thiên hà nặng hơn

So với phân bố khối lượng sao kiểu Ngân Hà, các thiên hà được nghiên cứu chứa nhiều sao lùn mờ và khối lượng thấp hơn. Những ngôi sao này chỉ đóng góp một phần nhỏ vào ánh sáng quan sát được, nhưng lại chiếm một phần đáng kể khối lượng sao.

Điều đó có nghĩa là các phương pháp ước tính khối lượng dựa trên IMF của Ngân Hà có thể đã bỏ sót một lượng lớn vật chất sao — phần được nhóm nghiên cứu gọi là “khối lượng ẩn”. Với hai thiên hà cổ nhất, được nhận định là hậu duệ trực tiếp của những thiên hà trưởng thành xuất hiện rất sớm mà JWST từng phát hiện, việc áp dụng IMF đo được làm khối lượng sao suy ra tăng gấp 3–4 lần.

Vì sao phát hiện này làm bài toán thiên hà sơ khai khó hơn?

Một trong những quần thể sao cổ nhất có thể đã hình thành chưa đầy 1,5 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn. Nếu IMF nặng đáy cũng tồn tại vào thời điểm các ngôi sao của thiên hà tổ tiên hình thành, thiên hà đó phải tạo ra và tập hợp nhiều khối lượng sao hơn, trong thời gian ngắn hơn, so với các ước tính trước đây.

JWST đã phát hiện nhiều thiên hà khối lượng lớn, tiến hóa ở những thời điểm rất sớm của vũ trụ, trong đó có các thiên hà tĩnh được xác nhận bằng quang phổ chỉ khoảng 1,25 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn. Sự hình thành nhanh bất ngờ của chúng vốn đã gây sức ép lên các mô hình tiến hóa thiên hà; việc khối lượng thực tế có thể còn lớn hơn chỉ làm căng thẳng này tăng thêm, thay vì giải quyết nó.

Tuy nhiên, cần phân biệt rõ: liên hệ với những thiên hà được quan sát trong khoảng 500 triệu năm đầu của vũ trụ là một phép ngoại suy tới các hệ thống “xuất hiện quá sớm”, chứ chưa phải phép đo IMF trực tiếp ở các thiên hà có độ dịch đỏ khoảng 10 trở lên. Các phép đo chắc chắn trong nghiên cứu hiện tại được thực hiện ở độ dịch đỏ khoảng 0,7.

Có thể có thêm nhiều hệ hành tinh?

Nếu quá trình hình thành sao nặng đáy phổ biến trong vũ trụ trẻ, số lượng sao khối lượng thấp, tồn tại lâu dài sẽ nhiều hơn so với giả định dựa trên IMF kiểu Ngân Hà. Đây là những ngôi sao có thể là nơi hình thành và duy trì các hệ hành tinh, nên số hệ hành tinh được tạo ra trong vũ trụ sơ khai có thể cũng cao hơn ước tính hiện nay.

Dù vậy, nghiên cứu này không đo trực tiếp tỷ lệ xuất hiện hành tinh. Đây mới chỉ là một hệ quả tiềm năng từ việc phát hiện nhiều sao khối lượng thấp hơn trong các thiên hà cổ.

Bước tiếp theo của nhóm là áp dụng phương pháp quang phổ siêu sâu, bao phủ rộng trong hệ quy chiếu nghỉ, cho các thiên hà ở độ dịch đỏ ngày càng cao hơn. Mục tiêu cuối cùng là khảo sát những hệ thống gần thời kỳ xuất hiện các ngôi sao đầu tiên, nơi JWST có thể đưa các dấu hiệu nhạy với IMF vào vùng hồng ngoại quan sát được. Khi đó, các nhà khoa học sẽ kiểm tra liệu sự dư thừa sao khối lượng thấp có thực sự là đặc điểm của những thiên hà sớm nhất hay không.